化工反应工程答案第四章.docx
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化工反应工程答案第四章
4管式反应器
4.1在常压及800r等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：
C6H5CH3H2c6h6CH4
在反应条件下该反应的速率方程为：
r1.5CTcH.5,mol/l.s
式中G及G分别为甲苯及氢的浓度，mol/l，原料处理量为2kmol/h，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。
若反应器的直径为50mm试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。
解：
根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，
即：
CT0CH0，则有：
CTCHCT0（1示中下标T和H分别代表甲苯与氢，其中：
PT00.51.013105
RT8.314
Q°Ct02/2
所以，所需反应器体积为：
Xt
VrQ0CT00
Xt）
CT0
10310735.68
1kmol/h0.278
103kmol/m3
103kmol/s
3
0.27810
dXT
1.5CtCH.5
0.95
Q0CT0
dXT
xtdXT
01.5CT.5
c315150.4329
01.5（5.68103）（1XT）
3.006d
21531.1m
所以，反应器的长度为：
0.053.14/4
（1T13.006m3
1.51
4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。
解：
题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3.2中已
算出：
Q0275.8l/h
所以，所需反应器体积：
Xa
CA01.231mol/I
VrQ0CA00
dXA
kCA0（1XA）（CB0Ca0Xa）
275・8O.95818.6l
X
kCA01Xa5.21.23110.95
由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大,这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
Q0XA
4.31.013x105Pa及20C下在反应体积为0.5m3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应：
再将有关数据代入（A）式：
0.5144.159103Xa
1.789104
（10.05Xa）3
（1Xa）2（3.7432.078XA）dXA
（B）
423
2NOO22NO2rNO1.410CNOCO2,kmol/m.s式中的浓度单位为kmol/m3。
进气组成为10%NO,1%N9%Q,80%2,若进气流量为0.6m3/h（标准状况下），试计算反应器出口的气体组成。
解：
由NO氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程，其设计方程为：
VrCXadXA
CA04—2
Q001.4104cacb（A）
2.54）式
示中A,B分别代表NO和Q。
由题意可知，若能求得出口转化率，由（得：
yi0~^yA0XA
A
1AyA0XA
便可求出反应器出口气体组成。
已知:
A
Q
1
I乍'°.10,yB0O.°9
丨A2
0.6（27320）/2730.644m3/h1.7888104m3/s
Fi0
0.62.677102kmol/h
22.4
CA0
2
2.677100.1/“c"3[[/3
4.15910kmol/m0.644
CB0
2.6771020.0933
3.743103kmol/m3
0.644
所以，反应速率为:
221
4Ca°（1Xa）（Cb°-ca0Xa）rA1.410
（10.05Xa）（10.05Xa）
3
（10.05Xa）3
14104（1Xa）（3.7432.078Xa）10
用数值积分试差求得：
Xa99.7%
因此，
yA
yA0yA0XA
0.1（10.997）
yB
yNO2
10.05Xa
0.09-0.1
2
0.1
0.032%
10.050.997
0.997
4.227%
0.050.997
-0.10.997
211.546%
10.050.997
0.8
84.197%
10.050.997
另：
本题由于惰性气体M占80%故此反应过程可近似按恒容过程处理,有太大的误差。
y“2
也不会
4.4在内径为76.2mm的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯:
C2H6c2h4h2
反应压力及温度分别为2.026x105Pa及815C。
进料含50%（mol）C2H,其余为水
蒸汽。
进料量等于0.178kg/s。
反应速率方程如下：
dpA
dt
kPA
1
式中pa为乙烷分压。
在815C时，速率常数k1.0s,平衡常数
4
K7.4910Pa，假定其它副反应可忽略，试求：
（1）
（1）
（2）
（2）解：
（1）衡式求取：
此条件下的平衡转化率；
乙烷的转化率为平衡转化率的50%寸，所需的反应管长。
设下标A—乙烷，B—乙烯，H—氢。
此条件下的平衡转化率可按平
Kp
PbPh
Pa
Pi
PiO
PAOXa
A
1yAOAXA
yiOyAOXA
A
1yAOaXA
Piyip
11-1
yAOO.5,A==1
1
yA
yAOyAOXA0.5（1XAe）
1yAOAXA1O.5XAe
yH
yboyaoXa
A
1yAOAXA
0.5*XAe
10.5XAe
0.5*XAe
10.5XAe
PbPh
Pa
2
yByHP
YaP
0.5X
2
Ae
（10.5XAe）（1
4
7.49*14
XAe0.61
若以1摩尔Qf为基准，反应前后各组分的含量如下:
日2屮2。
，
C2H6C2H4
反应前10012
平衡时1-XeXeX
因此，平衡时各组分分压为：
RXe
PBk，PH
将其代入平衡式有：
X2
（—）22.026
2Xe
Spa
2Xe
R（1Xe）
2Xe
Xe
Xe
105/—
2
解此一元二次方程得：
Xe0・61
（2）
（2）所需的反应管长：
首先把反应速率方程变为
dPa/RTkpA3
A,kmol/m.s
dtRT
以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。
已知：
0.1780.5
0.0037kmol/s
300.5180.5
0.5XAe0.305
7.49104
FAO
XAf
代入物料衡算式有
Vr
Fao0
XAf
dXA
X）Rt
0.00378.31410310880.3052X*
5AdXA
12.02610501XA
其反应管长：
0.13m3
（0.0762）23.14/428.8m
4.5于277C,1.013X105Pa压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应
C2H5OHCH3COOH
CH3COOC2H5H2O
（A）（B）（P）（Q）
3
催化剂的堆密度为700kg/m,在277C时，B的转化速率为：
4.096107（0.38.885106pQ）（pBpPpQ/9.8pA）
rB4,kmol/kg.s
B3600（11.515104pP）
式中的分压以Pa表示，假定气固两相间的传质阻力可忽略不计。
加料组成为23%B,46%A,31%Q均为重量%,加料中不含酯，当Xb=35%寸，所需的催化剂量是多少？
反应体积时多少？
乙酸乙酯的产量为2083kg/h。
解：
由反应计量方程式知反应过程为恒容过程，将速率方程变为B组分转
化率的函数，其中：
pBpB0（1XB）,pApA0I^B0XB
pPPb0Xb,PqpQ0pB0XB
为求各组分初始分压，须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比，即
12.34%B,32.1%A,55.45%Q于是有：
pB0
0.12341.013
105
pA0
0.32201.013
105
PQ0
0.55451.013
105
FB0
2083
U.0188kmol/s
3600880.35
将上述有关数据代入设计方程:
FB0
XBdXB
W1.01104kg
rB
采用数值积分便可得到所需的催化剂量:
其反应体积为：
Vr
4
1.0110
14.5m3
4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应
2CHCIF2（g）C2F4（g）2HCI（g）
流量为2kmol/h的纯CHCIF2气体先在预热器预热至700C,然后在一活塞流反应器中700E等温下反应。
在预热器中CHCIF2已部分转化，转化率为20%若反应器入口处反应气体的线速度为20m/s，当出口处CHCIF的转化率为40.8%时，出口的气体线速度时多少？
反应器的长度是多少？
整个系统的压力均为1.013X
105Pa,700E时的反应速率常数等于0.97s-1。
若流量提高一倍，其余条件不变，则反应器长度是多少？
解：
反应历程如下图所示:
in
温度
线速度U0
转化率Xa0=0
A,in
f=TiN
f
A,f
该反应为变容过程,
2A
1/2
FA0
Fa°（1Xa0）
2（1
0.20）
1.6
1
FB0
BFa0Xa0
A
1*2*
2
0.2
0.2
1
Fc0
0.4
B2C
其中yA0
hA
Ft0
2.2
FAf
Fa0（1
XAf）
2（1
0.408）
1.184
FBf
BF
A0XAf
1*2*
0.408
0.408
A
2
Fcf2*0.4080.816
Ft2.408
Uf
U0
巳
Ft0
2.408
2.2
1.0945
uf1.0945*2021.89m/s
由（2.50）式知：
QQ0（1yA0AXA）
uU°（1Ya0aXa）
由已知条件，且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线速度:
U。
Uin
T
VA0aXa”）¥
T0
20T。
10.50.20Tin
18.18m/s
其出口处气体线速度为:
Tj
5u0（1yA0AXA）-18.18（10.50.408）21.89m/s
T0
由设计方程计算出反应器长度：
LxAfdXA
—Vr/QinCA,in。
Uin0kC1Xa
Ain
A,10.5XA
那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率Xv。
据X=Fao-Fa/Fao，可求出
FA,in=1.6kmol/h,FAf=1.184kmol/h,所以，冷=（1.6-1.184）/1.6=0.26。
因而有：
0.2620
（0.4520.13）6.63m00.97
这是由于反应器的截面积没有固定，固定的是反应气体的线速度等条件，因此，当流量提高一倍时，而其余条件不变，则反应器的长度并不变，只是其截面积相应增加。
ui1
L亠（10.5）ln0.5Xa
k1XA
4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应:
ABR,rRk1CACB
2A
S,rs
k2C
目的产物为R,且R与B极难分离。
试问：
（1）
（1）在原料配比上有何要求？
（2）
（2）若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？
（3）（3）如用间歇反应器，又应采用什么样的加料方式？
解：
对于复合反应，选择的原则主要是使目的产物R的最终收率或选择性
最大，根据动力学特征，其瞬时选择性为：
2k2CA/k1C
由此式可知要使S最大，Q越小越好，而Cb越大越好，而题意又给出R与B极难分离，故又要求CB不能太大，兼顾二者要求：
（1）原料配比，如果R与B极难分离为主要矛盾，则除去第二个反应所消耗的
A量外，应按第一个反应的化学计量比配料，而且使B组分尽量转化。
（2）若采用PFR应采用如图所示的加料方式，即A组分沿轴向侧线分段进料，而B则在入口处进料。
（3）如用半间歇反应器，应采取B一次全部加入，然后慢慢加入A组分，直到达到要求的转化率为止。
4.8在管式反应器中400C等温下进行气相均相不可逆吸热反应，该反应的活化能等于39.77kJ/mol。
现拟在反应器大小，原料组成及出口转化率均保持不变的前提下（采用等温操作），增产35%请你拟定一具体措施（定量说明）。
设气体在反应器内呈活塞流。
解：
题意要求在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不变，由下式：
Vr/Q。
CXAdXA
CA0
0kf（Xa）
可知，Q0与反应速率常数成正比，而改变反应温度又只与k有关，所以，提高反应温度可使其增产。
具体值为：
39770
Q2/Q01
Ae8.314T210.35.“
k2/k13977011.35
Ae8.3146731
解此式可得：
T2=702.7K。
即把反应温度提高到702.7K下操作，可增产35%
改用活塞流反应器，试计算苯酚的
4.9根据习题3.8所给定的条件和数据,产量，并比较不同类型反应器的计算结果。
解：
用活塞流反应器：
Vr/QoCA0
将已知数据代入得:
XadXA
0kCA0（1Xa）
k1Xa
0.31I1
In
Q00.0810.989
3.
解得：
Q0°.319m/min，所以苯酚产量为：
FA0XAQ0CA0Xa0.3193.20.9891.01kmol/min
1.0994kg/min94.99kg/min
由计算可知改用PFR的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量，也大于间歇式反应器的产量。
但间歇式反应器若不计辅助时间，其产量与PFR的产量相同
（当然要在相同条件下比较）。
4.10根据习题3.9所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，反应温度和
原料组成均保持不变，而空时与习题3.9
（1）的反应时间相同，A的转化率是
否可达到95%？
R的收率是多少？
解：
对于恒容过程，活塞流反应器所需空时与间歇反应器的反应时间相同，所以A的转化率是可以达到95%勺。
R的收率与间歇反应器时的收率也相同，前已算出收率为11.52%=
4.11根据习题3.14所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算：
（1）所需的反应体积；
（2）若用两个活塞流反应器串联，总反应体积是多少？
解：
（1）用PFR时所需的反应体积：
Vr
Q0CA0
XadXA
0kcA5（1Xa）1.5
Q°Ca0.5
0.5k
（1
Xa）0.51
1.52000（1
0.50.1581
0.5/
0.95）1
1.47m3
（2）若用两个PFR串联，其总反应体积与
（1）相同
4.12在管式反应器中进行气相基元反应：
ABC，加入物料A为气相,
B为液体，产物C为气体。
B在管的下部，气相为B所饱和，反应在气相中进行。
已知操作压力为1.013xiO5Pa,B的饱和蒸汽压为2.532xiO4Pa,反应温度340C，反应速率常数为102mVmol.min，计算A的转化率达50%寸，A的转化速率。
如A的流量为0.1m3/min，反应体积是多少？
解：
此反应为气相反应，从化学计量方程式看，是变容反应过程，但气相
中Pb为常数，故可看成恒容过程。
假定为理想气体，其中：
pB2.532104Pa,k100m3/mol.min105m3/kmol.min
Pa0（1.0130.2532）105Pa,PaPa0（1Xa）
CB晋2.532104/（8.314103613）pA0.7598105（1Xa）ccc
CAA3A0.0149
RT8.314103613
当Xa=50%寸，A的转化速率为：
4.97103kmol/m3
（1Xa）
RakCACB1054.97当Qa0.1m3/min时，Q°b
1030.0149（10.5）3.7kmol/m3.min
所以，Q0Q0AQ0B
此时所需反应体积为：
0.133m3/min
Vr
Q0CA0
XadXA
0kCACB
Q。
XadXA
kCB01Xa
0.133
4.9710
1
0.5
1.85104m30.185l
0.10.2532/0.75980.033m3/min
4.13在一活塞流反应器中进行下列反应：
Ak1Pk2Q
两反应均为一级，反应温度下，k1=0.30min-1，k2=0.10min-1。
A的进料流量为3mVh,其中不含P和Q试计算P的最高收率和总选择性及达到最大收率时所需的反应体积。
解：
对一级连串反应可得如下关系是：
Yp
1
（1Xa严1
（1Xa）
（A）
若求最高收率，即令:
Yp/Xa0，可得到：
1
（XA）m1（k昇k1）1k2/k1
将（Xa）m代入（A）式得最高收率：
（0.1）10.1/0.3
（0.3）
（YP）max（10.8076）01/0.3（1
0.8076
0.8076）
57.84%
P的总选择性:
S0（Yp）max0.578471.62
（Xa%0.8076
达到最大收率时的反应体积为：
（XA）mdXA
0
VrQocAO
klCA0（1Xa）
3In10.275m3
600.3010.8076
4.14液相平行反应：
ABP,rPCAcB.3kmol/m3.mina（AB）Q,rQcA.5cB.3kmol/m3.min
式中a为化学计量系数。
目的产物为Po
（1）（
（2）（
（a）
（b）
（c）
（1）写出瞬时选择性计算式。
（2）若a1，试求下列情况下的总选择性。
）（a）活塞流反应器CAo=CBo=1Okmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3；
）（b）连续釜式反应器，浓度条件同（a）；
）（c）活塞流反应器，反应物A和B的加入方式如下图所示。
反应物A从反应器的一端连续地加入，而B则从不同位置处分别连续加入，使得器内处处B的浓度均等于1kmol/m3,反应器进出口处A的浓度分别为19和1kmol/m3。
解：
（1）设
Sp
亠
pPCaC『
（Ra）CacB.3cA.5cB.3
1，求下列情况下的总选择性。
1
1Ca0.5Cb
⑵若a
（a）活塞流反应器，因为CAo=CBo,其化学计量系数相同，所以G=G,贝U有
1
Ca，因此
1
CA0CAf
Sp
sop
Cao
C（Sp）dCA
CAf
1。
dCA0.326
10111cA
（b）连续釜式反应器
SOPSpj1一c0.5
2°5
Sp
（c）PFR,且B侧线分段进料，器内B的浓度均等于1kmol/m3,则
1
1Ca05
Sop
禽「冷0.732
4.15在活塞流反应器中等温等压（
5.923
P,rp
2Q,「q
1.777
5.065x104Pa）下进行气相反应：
106pAkmol/m3.min
105pAkmol/m3.min
106pAkmol/m3.min
A
式中Pa为A的分压Pa,
理量为1800标准m/h，要求A的转化率达到90%计算所需的反应体积及反应产物Q的收率。
解：
此反应为复合反应系统，一般需要多个物料衡算式联立求解，方能解决问题。
但这里三个平行反应均为一级，可简化处理。
为：
2.961
3r,「r
原料气含量A10%（mol）,其余为惰性气体。
若原料气处
其组分A的总转化速率
11
Ra2rQ3rR（0.5922
又为变容过程：
0.5922
1
1.5794
0,21,
1.7771
3
0.2961）105PA1.5794105PA
其中1
Pa
pA0（1XA）
1
1.777
21.5794
2,所以有
5.065
0.2961
31.5794
0.6875
A
1040.1（1XA）
5.065103（1XA）
FA0
AyA0XA
18000.1
10.68750.1XA
10.06875XA
22.4
所需反应体积为：
X
VrFA00
0.1339kmol/min
60
dXA
-•-5
1.579410pA
FA0
Xa
0.06875XAdXA
1.57941055.065103（1XA）
0.1339
8102
（1
0.06875）ln6
0.068750.90
4.22m3
Yq
Sq
q
Ra
1
2
5
1.579410Pa
1.777105Pa
0.5626
二酸酐（MA:
Bk1MAk2COgHO
Bk3COgHO
产物Q的收率:
4.16在充填钒催化剂的活塞流反应器中进行苯（B）氧化反应以生产顺丁烯
这三个反应均为一级反应，反应活化能（kJ/mol）如下:
Ei=70800,E2=193000,E3=124800
指前因子（kmol/kg.h.Pa）分别为
Ai=0.2171,A2=1.372X108,A3=470.8
反应系在1.013X105Pa和704K等温进行。
原料气为苯蒸汽与空气的混合气，其中含苯1.8%（mol）。
现拟生产顺丁烯二酸酐1OOOkg/h,要求其最终收率为42%假设
（1）可按恒容过程处理；
（2）可采用拟均相模型。
试计算
（1）苯的最终转化率；
（2）原料气需用量；
（3）所需的催化剂量。
解：
（1）由题意知：
k3）
dCB/d（k1k3）CB，解之得:
cce（k1
BBOe
或.
1Xb
Cb
CBO
（k1k3）
且：
dCMA
d
解此一阶线性微分方程有:
k1CB
kCkce（k1k3）
2MA〜BOD
k2CMA
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